一种新型分缝耗能砌体填充墙的抗震性能试验与有限元分析

卢 啸，查淑敏

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

砌体填充墙是建筑结构中最主要的非结构构件，在设计中一般不考虑其参与结构受力，仅考虑其自重及其刚度对结构周期的折减。而在实际工程中，填充墙与主体结构存在明显的相互作用，且由于砌体填充墙初始抗侧刚度，材料强度低，在地震作用下会明显先于结构构件发生破坏，造成严重的经济损失，特别是在中小震下，造成的经济损失甚至超过结构构件[1]。此外，填充墙破坏后修复困难，有研究表明[2]，在框架结构的层间位移角达到1/500 时，空心或实心砌块填充墙达到不易修复状态的超越概率约为50%；且填充墙的修复工序复杂，与其他非结构构件如管道的修复工序相关联，使其震后的修复时间也较长[3-4]，不利于结构快速恢复使用功能。因此，如何提高填充墙的延性，控制并延缓砌体填充墙的损伤，对进一步提升建筑结构的抗震韧性至关重要。

目前，国内外学者对砌体填充墙框架进行了大量试验，从静力到动力试验、从小比例到大比例模型试验、从黏土砖到混凝土砌块填充墙、从无开洞到开洞填充墙、从填充墙与框架的刚性连接到柔性连接，充分地讨论了填充墙对结构刚度、承载力和变形能力等方面的影响[5-10]。近年，更有学者提出了一些新型砌体填充墙。如周云等[11]提出一种设置水平缝的阻尼填充墙，通过减小框架与填充墙的相互作用，并利用水平缝的耗能来降低结构的损伤；Tasligedik 等[12]利用型钢将填充墙分隔成多块，形成了一种摇摆型填充墙来减轻结构的损伤。林坤等[13]构造出一种利用砌块之间隼和槽的相互嵌固作用直接装配成的填充墙，砌块间不采用砂浆粘接，依靠砌块的面内相对滑动进行摩擦耗能。Aref 等[14]提出用聚合物基(PMC)填充墙系统代替传统砌块填充墙，其中PMC 板间采用粘弹性材料提高其阻尼特性，使整个结构的承载力显著提高且无明显的强度退化和刚度退化现象。Pallarés 等[15]提出了一种隔震砌块，其弹性模量远小于普通砌块，通过将隔震砌块布置在填充墙与框架梁柱接触的区域，降低填充墙与框架间的相互作用。

尽管上述新型填充墙都有利于减轻结构的损伤，但他们的研究重点都是填充墙对结构构件抗震性能的影响，而鲜有关注填充墙本身的损伤问题。因此，本文借鉴已有的研究成果，针对普通砌体填充墙初始刚度大、延性差和震后难以修复等问题，提出一种分缝耗能的低损伤砌体填充墙(简称低损伤填充墙)，通过合理设置水平缝、竖缝和金属连接件，提高填充墙的变形能力，减轻填充墙在中小震下的损伤，达到震后可快速修复的目的。对所提出的低损伤填充墙进行了足尺的低周往复抗震性能试验，研究了其损伤演化和滞回特性。

1 低损伤填充墙的构造形式

以钢筋混凝土框架结构为例，对低损伤砌体填充墙的构造形式进行说明，其构造示意如图1所示。在框架结构主体完工后，可开始填充墙的砌筑，在底部框架梁上不涂抹砂浆直接砌筑砌块；填充墙与框架柱之间仍采用传统的刚性连接，沿两侧框架柱柱高每隔400 mm～600 mm 配置2 根直径6 mm 的拉结筋，拉结筋的长度及截断位置等构造措施应满足《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)的要求；通过在墙体中间设置竖向通缝，将填充墙分成左右两个部分，增大墙体的高宽比，降低水平荷载作用下的墙体的剪切变形；沿竖缝高度均匀布置金属连接件将左右墙体连成整体，增强整体性的同时提高其面外稳定性，且在金属连接件连接端上下焊接槽钢以增大与砌块的接触面积，防止上下连接砌块发生局部破坏；金属连接件由低屈服点钢板组成，通过合理设计可使其先于填充墙发生屈服，耗散部分地震能量，进一步减轻墙体的损伤；填充墙与顶部框架梁之间预留水平缝隙，水平缝隙的宽度宜在20 mm～60 mm；最后，砂浆强度达到规范要求，且墙体在自重作用下沉降稳定后，采用柔性填充材料(如：聚苯乙烯泡沫塑料板条)对缝隙进行填充。相比于普通填充墙，本文提出的低损伤填充墙仅为三边约束，且金属连接件的面外刚度较小，因此，为了进一步提高其面外性能，还应在上梁与填充墙间增设卡口铁件。虽然本文是以框架结构为例进行说明，但低损伤填充墙同样适用于其他结构形式。此外，由于金属连接件与砌体的导热性存在较大差异，容易形成冷桥，可能会增大建筑物的空调和采暖负荷及能耗，故提出的低损伤填充墙不宜直接用于建筑外墙。若要用于建筑外墙，应先用与连接件大小接近的聚苯乙烯泡沫矩形板在金属连接件位置进行封盖，然后再对整个墙体做外保温和防水处理。

图1 低损伤填充墙的构造示意Fig. 1 Sketch of low-damage infill wall

相比于普通填充墙，本文提出的低损伤填充墙具有以下特点：1)由于竖缝的存在，减小了填充墙的初始抗侧刚度，水平荷载作用下墙体分担的剪力会相应减小，延缓了墙体的破坏；2)竖缝增大了墙体的高宽比(可使高宽比增大至少一倍)，使墙体在水平荷载作用下的弯曲变形比例增大，提高了墙体的变形能力；3)竖缝两侧的墙体会产生明显的相对错动，使低屈服点金属连接件屈服耗能，进而保护墙体，减小墙体的损伤；4)填充墙与框架柱的连接形式仍采用传统的刚接，且金属连接件的大小于混凝土空心砌块的大小基本一致，施工简便。

2 低损伤填充墙的低周往复试验

2.1 试验设计

根据上述构造措施，设计了一榀足尺单层单跨低损伤填充墙钢筋混凝土框架和一榀普通填充墙混凝土框架，两个试件的框架尺寸、配筋及砌块完全相同。低损伤填充墙框架的尺寸与配筋如图2。

图2 试件尺寸及配筋详图 /mmFig. 2 Dimension and reinforcement details of specimen

试件总高3.38 m，跨度3.6 m，框架柱截面尺寸为400 mm×400 mm，梁截面尺寸为250 mm×400 mm。框架中纵筋和箍筋均选用HRB400 钢筋，箍筋直径8 mm，在梁柱端箍筋加密区范围内间距100 mm，非加密区内间距200 mm；填充墙材料选用混凝土空心砌块，主砌块尺寸为390 mm×190 mm× 190 mm，辅砌块尺寸为195 mm×190 mm×190 mm；填充墙与框架柱沿柱高每400 mm 设置2 根直径6 mm 的拉结筋，深入墙内1000 mm。

金属连接件的屈服强度对整个填充墙的损伤有重要影响。若屈服强度过高，则墙体会先于金属连接件破坏，且金属连接件与填充墙连接区域也可能发生严重的局部破坏；若屈服强度过低，则连接件的耗能可能不足，不能有效地减轻墙体的损伤发展。因此，为了确保金属连接件能有效减轻墙体损伤，应满足：1)连接件先于墙体发生屈服；2)在多遇和设防地震下的耗能应多于墙体耗能。基于上述原则，在试验前通过大量数值模拟，初步确定沿竖缝均匀布置3 个低屈服点金属连接件，每个连接件选用LY100 低屈服点钢材，耗能段板厚12 mm，其具体尺寸如图3 所示。

图3 金属连接件尺寸示意图Fig. 3 Dimension of metal connector

金属连接件由中间耗能段、端部连接板和槽钢三部分组成。连接件的平面尺寸与混凝土空心砌块大小接近，通过膨胀螺栓将端部连接板与两侧砌块连接在一起。由于混凝土空心砌块的外壁较薄，为了避免膨胀螺栓受剪时挤压外壁导致砌块破坏，应在与连接件相邻的空心砌块内填充混凝土。此外，端部槽钢还增加了连接件与上下砌块的接触面积，有效避免了端部连接板挤压上下砌块导致的砌块局部破坏。

通过材性试验，分别获取了混凝土、砌体、钢筋和低屈服点钢材的主要材料参数。其中与普通填充墙框架同批混凝土的立方体抗压强度平均值为41.9 MPa，弹性模量平均值为33 023 MPa；与低损伤填充墙框架同批混凝土的立方体抗压强度平均值为38.2 MPa，弹性模量平均值为32 171 MPa；砌体的抗压强度平均值为2.57 MPa；8 mm、16 mm和20 mm 直径钢筋的屈服强度分别是607 MPa、496 MPa 和457 MPa，极限强度分别是899 MPa、667 MPa 和597 MPa；低屈服点钢材的屈服强度为125 MPa，极限强度为257 MPa。

试验加载装置如图4 所示。采用两台竖向液压千斤顶对框架柱施加800 kN 的恒定轴压力，在试验过程中保持轴力不变，且竖向千斤顶上部均装有低摩擦阻滑轮，在结构水平加载时可沿上反力架水平移动。水平力由液压伺服加载系统施加在梁端，通过传力装置实现水平往复加载，该传力装置主要由设置在梁两端的钢块和四根沿梁长布置的钢棒组成。正式加载前，对构件进行预加载，预加载时对框架柱施加400 kN 的压力并保持恒定不变，预加0.5 mm 水平位移循环往复一周，检查加载装置连接、采集仪器是否正常。正式加载全过程采用位移控制，每级位移加载循环三次，直至试件破坏(填充墙破坏严重，大量砌块剥落)。

图4 试验加载装置示意图Fig. 4 Sketch of test setup

2.2 试件损伤演化

根据试验观测到的填充墙裂缝发展，并结合《建(构)筑物地震破坏等级划分》中对非结构构件损伤状态的定义，可确定出低损伤填充墙和普通填充墙的主要损伤演化过程如图5 所示。

图5 试件的损伤演化过程Fig. 5 Damage evolution of specimens

1)对于普通填充墙，层间位移角1/1000 时，填充墙与框架柱交界处出现轻微开裂脱开现象；层间位移角1/800 时，填充墙左下角部区域开裂；层间位移角1/500 时，填充墙出现大量裂缝，裂缝呈阶梯状发展并贯通，墙体达到了轻微损伤状态，且柱脚混凝土出现细微裂缝，卸载后完全闭合；层间位移角1/300 时，阶梯状裂缝延伸发展，形成明显的对角裂缝；层间位移角1/200 时，原有裂缝宽度逐渐变宽，最大裂缝宽度达3.5 mm，水平通缝贯通，出现大量新斜裂缝，灰缝表层和砌块表层逐渐脱落，墙体达到了中等损伤状态，且柱脚和梁端纵筋相继屈服；层间位移角1/150 时，最大裂缝宽度大于5 mm，砌块灰缝表层剥落严重，结构承载力突然下降；层间位移角1/100 时，部分砌块剥落，出现孔洞，墙体达到了严重损伤状态；层间位移角1/67 时，左下角砌块严重剥落，拉结筋逐渐露出；层间位移角1/50 时，砌块严重剥落，部分砌块有面外掉落的趋势，墙体进入临近倒塌状态，且梁端与柱脚混凝土开裂严重，少量混凝土开始剥落；层间位移角1/40 时，砌块继续剥落；层间位移角1/35 时；砌块剥落严重，墙体开始坍塌，停止加载。

2)对于低损伤填充墙，层间位移角1/1000 时，底部金属连接件开始进入屈服；层间位移角1/800 时，填充墙与框架柱交界处出现轻微开裂脱开现象；层间位移角1/500 时，底部连接件附近的砂浆层内出现两条水平裂缝，墙体进行轻微损伤状态，且柱脚混凝土出现细微裂缝，卸载后完全闭合；层间位移角1/300 时，底部连接件附近水平裂缝延伸，且出现一条斜裂缝延伸较长；层间位移角1/200 时，底部连接件带动左侧墙体沿原有水平裂缝产生明显变形，使水平裂缝变宽，卸载时水平裂缝闭合，中部连接件附近灰缝开裂，出现斜裂缝和水平裂缝，且柱脚和梁端纵筋相继屈服；层间位移角1/150 时，裂缝不断延伸，墙体出现一些新的斜裂缝，少量砂浆灰缝表层掉落，墙体进入中等损伤状态；层间位移角1/100 时，裂缝继续延伸，连接件附近裂缝贯通；层间位移角1/67 时，主要裂缝宽度不断变宽，左右墙体单元的变形使竖向缝隙逐渐变窄，左墙体单元和框架上梁接触，少量砂浆开始剥落，墙体进入严重损伤状态；层间位移角1/50 时，砌块逐渐剥落，此时结构达到峰值荷载；层间位移角1/40 时，左墙体单元与框架上梁的接触挤压引出一条竖向裂缝；层间位移角1/35 时，更多砌块开始剥落，有两根拉结筋一端露出；层间位移角1/30 时，砌块剥落较严重，墙体进入临近倒塌状态，且梁端与柱脚混凝土开裂严重，少量混凝土开始剥落；层间位移角1/25 时，大量砌块压碎剥落，终止试验。

对比分析显示，在相同位移下，低损伤填充墙的损伤程度明显低于普通填充墙。如层间位移角1/200 时，普通填充墙达到了中等损伤状态，而低损伤填充墙仍处于轻微损伤状态；层间位移角1/100 时，普通填充墙达到了严重损伤状态，而低损伤填充墙处于中等损伤状态；层间位移角1/50 时，普通填充墙已经临近倒塌，而低损伤填充墙刚进入严重损伤状态。表明本文提出的低损伤填充墙构造措施能有效减轻墙体在中震小的损伤程度，同时也能降低大震下砌块剥落造成人员伤亡的概率。

此外，对于低损伤填充墙，试验中观察到在层间位移角不超过1/50 时，竖缝宽度并没有发生明显变化，在层间位移角达到1/35 时，竖缝因两侧墙体砌块的滑移变形而逐渐闭合。由于竖缝对墙体的损伤有重要的控制作用，为了保障竖缝在多遇、设防和罕遇地震下均能充分发挥作用，建议竖缝宽度取为30 mm～50 mm。

2.3 滞回特性对比

普通与低损伤填充墙的滞回曲线及骨架曲线如图6 所示。两条滞回曲线均较饱满，存在明显的捏笼现象和残余变形。由于低损伤填充墙中竖缝的存在，使其初始抗侧刚度明显小于普通填充墙，故位移较小时，低损伤填充墙墙体承担的水平力较小，整个低损伤填充墙框架的水平承载力也明显低于普通填充墙框架。当加载位移超过1/67(39 mm)后，由于普通填充墙已发生严重破坏，而低损伤填充墙的墙体损伤程度轻，仍能承担部分水平力，因此，低损伤填充墙框架的承载力开始高于普通填充墙框架。

图6 普通和低损伤填充墙试验滞回与骨架曲线Fig. 6 Hysteresis and backbone curves of ordinary and lowdamage infill walls

将承载力下降至峰值承载力85%对应的位移定义为试件的极限位移，那么普通填充墙框架的正负向极限位移分别是44 mm 和-37 mm；而低损伤填充墙框架的正负向极限位移分别是120 mm 和-96 mm。需要指出的是对于低损伤填充墙框架，正向停止加载时承载力仍未低于峰值承载力的85%，故保守地以其终止试验位移作为正向极限位移。可见，低损伤填充墙的变形能力得到了明显提升，其变形能力至少是普通填充墙框架的2.59 倍。

两个试件的滞回耗能对比如图7 所示。可见，普通和低损伤填充墙的总滞回耗能较接近，普通填充墙的耗能略大于低损伤填充墙。且低损伤填充墙中金属连接件也参与了部分耗能，这意味着其墙体本身的耗能更少，损伤程度更低。

图7 普通和低损伤填充墙滞回耗能Fig. 7 Energy dissipation of ordinary and low-damage infill walls

2.4 连接件应变分析

三个金属连接件的应变随加载圈数的时程如图8 所示。金属连接件自层间位移角1/1000 时开始自下向上陆续屈服，金属连接件的屈服耗能可进一步减轻墙体的损伤；随着加载位移的增大，左右墙体两侧相对变形增大，金属连接件的耗能作用发挥得越明显，同样，连接件也导致了与其相邻灰缝开裂，水平裂缝逐渐贯通。随着加载位移的进一步增大，水平裂缝的开合逐渐降低了连接件两侧的相对竖向变形，最终使得连接件两端的相对变形量非常小，连接件的耗能能力自下而上逐渐降低。层间位移1/67 时，所有连接件的耗能作用显著减弱。

图8 金属连接件应变时程Fig. 8 Strain history of metal connectors

3 低损伤填充墙的数值模拟

利用通用有限元软件MSC.Marc 建立了普通和低损伤填充墙框架的三维有限元模型。其中，钢筋混凝土框架梁柱采用实体单元模拟，纵筋和箍筋采用杆单元模拟，忽略钢筋与混凝土间的滑移，通过钢筋和混凝土单元共节点保证钢筋与混凝土的变形协调。对于砌体填充墙，将砌块和砂浆等效成一种匀质材料[16]，用实体单元进行模拟。对于金属连接件，采用壳单元进行模拟。此外，还在缝隙两侧的梁与墙，墙与墙之间设置硬接触，模拟大位移下梁与墙，墙与墙之间可能发生的接触挤压。最终建立的低损伤填充墙的有限元模型如图9 所示。

图9 普通与低损伤填充墙墙体耗能对比Fig. 9 Comparison of energy dissipation between ordinary and low-damage infill walls

混凝土本构选用过镇海模型，钢筋本构选用汪训流模型[17]，等效后砌体的本构选用刘桂秋提出的应力-应变关系[18]，该应力-应变本构模型具体表达式：

式中：fm为砌体的抗压强度；ε0为砌体峰值强度对应的应变。对于等效砌体的弹性模量Em可以根据式(2)计算得到[19]：

采用与试验相同的加载制度，模拟得到普通和低损伤填充墙的滞回曲线如图10 所示。对于普通填充墙，模拟结果在加载初期阶段高估了刚度和承载力，但位移大于10 mm 后，模拟与试验滞回曲线吻合良好；对于低损伤填充墙框架，模拟与试验滞回曲线负向吻合良好，正向略高估了承载力，相对偏差在15%以内，表明建立的有限元模型能较好地预测普通和低损伤填充墙框架的整体地震响应。

图10 模拟与试验滞回曲线对比Fig. 10 Comparison of simulated and experimental hysteresis curves

普通填充墙墙体和低损伤填充墙墙体在不同位移幅值下的耗能对比如图11 所示。在位移小于65 mm(层间位移角1/40)时，低损伤填充墙墙体的滞回耗能在相同位移幅值下均小于普通填充墙，在加载位移为13 mm(层间位移角约1/200)时普通填充墙墙体的滞回耗能为低损伤填充墙墙体的6.14 倍，在加载位移26 mm(层间位移角约1/100)时普通与低损伤填充墙墙体的滞回耗能差别最大。在位移幅值超过65 mm(层间位移角1/40)后，普通填充墙中墙体已临近倒塌，滞回耗能增加幅度减缓，低损伤填充墙耗能增加幅度增大，其滞回耗能开始超过普通填充墙。滞回耗能一定程度上也反映了构件的损伤程度，可见，低损伤填充墙在地震作用下的损伤明显减弱，有利于填充墙的损伤控制和震后快速修复。

图11 普通与低损伤填充墙墙体耗能对比Fig. 11 Comparison of energy dissipation between ordinary and low-damage infill walls

典型金属连接件的滞回曲线如图12 所示。连接件的出力在10 kN～20 kN 左右，滞回曲线饱满，表现出了稳定的耗能能力。不同位移角幅值下，金属连接件、填充墙和外框架的耗能占比如图13 所示。在层间位移角1/500～1/30 范围内，金属连接件的耗能占比约26%～63%；随着位移的增大，其耗能占比先增大后减小。在层间位移角为1/150 时，耗能占比达到最大，约为63%，金属连接件是最主要的耗能部件；随着位移角的继续增大，外框架损伤逐渐变大，金属连接件的耗能占比逐步减小，最后稳定在26%左右，外框架的耗能比例最高，达到了约67%。总的说来，在多遇和设防地震下，金属连接件的耗能占比明显高于外框架和砌块，有利于减轻墙体的损伤程度。

图12 金属连接件的滞回曲线Fig. 12 Hysteretic curves of metal connectors

图13 金属连接件、填充墙和框架的耗能占比Fig. 13 Proportion of energy dissipation of metal connectors,infilled walls and frame

4 结论

增强非结构构件的抗震性能是提升建筑结构抗震韧性的有效途径。本文提出了一种低损伤砌体填充墙，通过足尺单榀单层单跨填充墙框架的低周往复试验，明确了其工作机理和损伤演化规律，并建立了其三维有限元模型，对低损伤填充墙的滞回性能进行了模拟，得到以下结论：

(1) 低损伤填充墙初始抗侧刚度小，使墙体分担的水平力小，延缓了墙体的损伤，且变形能力得到了较大提升，是普通填充墙的2.59 倍。

(2) 在相同位移幅值下，低损伤填充墙的损伤程度明显减轻，层间位移角1/200 时，普通填充墙达到了中等损伤状态，低损伤填充墙仍处于轻微损伤状态；层间位移角1/100 时，普通填充墙达到了严重损伤状态，低损伤填充墙处于中等损伤状态。

(3) 金属连接件在层间位移角超过1/1000 时开始屈服耗能，先于墙体发生破坏，有利于进一步减轻墙体的损伤。

(4) 建立的有限元模型能较好地模拟普通和低损伤填充墙的滞回响应，为进一步开展参数分析，建立低损伤填充墙的易损性曲线奠定了基础。